电器隔离技术.docx

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电器隔离技术

对电子电气电路的各种隔离进行了详尽的分析讨论，提出了抑制干扰而采取的电气隔离的技术措施，从而保证电气设备的正常工作。

关键词：

电子；电路；电气隔离；干扰；电磁兼容

TechnologiesofCircuitIsolationinElectronicandElectricalEquipments

HUANGYao-feng,WANGChuan-liang,ZHANGChao-qun

Abstract:

Themanyisolationtechnologiesoftheelectronicandelectricalcircuitareputforwardandanalyzed,discussedindetail.Sothenormaloperationoftheelectronicandelectricalequipmentsareguaranted.

Keywords:

Electron;Circuit;Electricalisolation;Interference;Electromagnaticcompatibility 

   电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。

在采用了电路隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果，使设备符合电磁兼容性的要求。

电路隔离主要有：

模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。

所使用的隔离方法有：

变压器隔离法、脉冲变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、线性隔离放大器隔离法、光纤隔离法、A/D转换器隔离法等。

   数字电路的隔离主要有：

脉冲变压器隔离、继电器隔离、光电耦合器隔离、光纤隔离等。

其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离；而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离、继电器隔离、高频变压器隔离（个别情况下采用）。

   模拟电路的隔离比较复杂，主要取决于对传输通道的精度要求，对精度要求越高，其通道的成本也就越高；然而，当性能的要求上升为主要矛盾时，应当以性能为主选择隔离元器件，把成本放在第二位；反之，应当从价格的角度出发选择隔离元器件。

模拟电路的隔离主要采用变压器隔离、互感器隔离、直流电压隔离器隔离、线性隔离放大器隔离。

   模拟电路与数字电路之间的隔离主要采用模/数转换装置；对于要求较高的电路，除采用模/数转换装置外，还应在模/数转换装置的两端分别加入模拟隔离元器件和数字隔离元器件。

2  模拟电路的隔离

  一套控制装置或者一台电子电气设备，通常包含供电系统，模拟信号测量系统，模拟信号控制系统。

而供电系统又可分为交流供电系统和直流供电系统，交流供电系统主要采用变压器隔离，直流供电系统主要采用直流电压隔离器隔离。

模拟信号测量系统相对来说比较复杂，既要考虑其精度，频带宽度的因素，又要考虑其价格因素；对于高电压、大电流信号，一般采用互感器（电压互感器、电流互感器）隔离法，近年来，又出现了霍尔变送器，这些元器件都是高电压、大电流信号测量常规使用的元器件；对于微电压、微电流信号，一般采用线性隔离放大器。

模拟信号控制系统与模拟信号测量系统的隔离类似，一般采用变压器、直流电压隔离器。

2.1  供电系统的隔离

2.1.1  交流供电系统的隔离

   由于交流电网中存在着大量的谐波，雷击浪涌，高频干扰等噪声，所以对由交流电源供电的控制装置和电子电气设备，都应采取抑制来自交流电源干扰的措施。

采用电源隔离变压器，可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。

但是，普通变压器却不能完全起到抗干扰的作用，这是因为，虽然一次绕组和二次绕组之间是绝缘的，能够阻止一次侧的噪声电压、电流直接传输到二次侧，有隔离作用。

然而，由于分布电容（绕组与铁心之间，绕组之间，层匝之间和引线之间）的存在，交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧。

为了抑制噪声，必须在绕组间加屏蔽层，这样就能有效地抑制噪声，消除干扰，提高设备的电磁兼容性。

图1（a）、（b）所示为不加屏蔽层和加屏蔽层的隔离变压器分布电容的情况。

图1  变压器隔离 

（a）无屏蔽  

（b）有屏蔽

   在图1（a）中，隔离变压器不加屏蔽层，C12是一次绕组和二次绕组之间的分布电容，在共模电压u1C的作用下，二次绕组所耦合的共模噪声电压为u2C，C2E是二次侧的对地电容，则从图可知二次侧的共模噪声电压u2C为：

     u2C=u1CC12/（C12＋C2E）

   在图1（b）中，隔离变压器加屏蔽层，其中C10、C20分别代表一次绕组和二次绕组对屏蔽层的分布电容，ZE是屏蔽层的对地阻抗，C2E是二次绕侧的对地电容，则从图可知二次侧的共模噪声电压u2C为：

   u2C=〔u1CZE/（ZE＋1/jωC10）〕〔C2E/（C20＋C2E）〕

   由于C2是屏蔽层的对地阻抗，在低频范围内，ZE《（1/jωC10），所以u2C→0。

由此可见，采取屏蔽措施后，通过隔离变压器的共模噪声电压被大大地削弱了。

   随着技术的进步，国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器（NoiseCutoutTransformer，简称NCT），这是一种绕组和变压器整体都有屏蔽层的多层屏蔽变压器。

这类变压器的结构，铁心材料，形状及其线圈位置都比较特殊，它可以切断高频噪声漏磁通和绕组的交链，从而使差模噪声不易感应到二次侧，故这种变压器既能切断共模噪声电压，又能切断差模噪声电压，是比较理想的隔离变压器。

2.1.2  直流供电系统的隔离

   当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时，它们各自的直流供电电源间也应该相互隔离，其隔离方式如下：

第一种是在交流侧使用隔离变压器，如图2（a）所示；第二种是使用直流电压隔离器（即DC/DC变换器），如图2（b）所示。

（a）交流侧隔离  

（b）直流隔离

图2  直流电源系统的隔离

2.2  模拟信号测量系统的隔离

   对于具有直流分量和共模噪声干扰比较严重的场合，在模拟信号的测量中必须采取措施，使输入与输出完全隔离，彼此绝缘，消除噪声的耦合。

隔离对系统有如下好处：

   ——防止模拟系统干扰，尤其是电力系统的接地干扰进入逻辑系统，导致逻辑系统的工作紊乱；

   ——在精密测量系统中，防止数字系统的脉冲波动干扰进入模拟系统，尤其是前置放大部分，因为前置放大部分的信号非常微弱，较小的骚扰波动信号就会把有用信号淹没。

2.2.1  高电压、大电流信号的隔离

   高电压、大电流信号采用互感器隔离，其抑制噪声的原理与隔离变压器类似，这里不再赘述。

互感器隔离的应用如图3（a）所示。

（a）互感器隔离电路   

（b）线性隔离放大器

图3 模拟信号输入隔离系统

2.2.2  微电压、微电流信号的隔离

   微电压、微电流模拟信号的隔离系统相对来说比较复杂，既要考虑其精度，频带宽度的因素，又要考虑其价格因素。

一般情况下，对于较小量的共模噪声，采用差动放大器或仪表放大器就能够取得良好的效果，但对于具有较大量的共模噪声，且测量精度要求比较高的场合，应该选择高精度线性隔离放大器，如BB公司的ISO106，其主要参数如下：

   ——交流耐压35kV/1min，60Hz；

   ——直流耐压495kV；

   ——冲击耐压8kVPK/10s；

   ——非线性误差0.007％；

   ——隔离噪声抑制比交流130dB，直流160dB。

   ISO106的优秀参数，使其大量地应用于精密测量系统中，线性隔离放大器的应用如图3（b）所示。

2.3  模拟信号控制系统的隔离

   如前所述，模拟信号控制系统的隔离与模拟信号测量系统的隔离类似，即交流信号一般采用变压器隔离，直流信号一般采用直流电压隔离器或线性隔离器隔离。

3  数字电路的隔离

   与模拟系统类似，一套控制装置，或者一台电子电气设备，通常所包含的数字系统有：

数字信号输入系统，数字信号输出系统。

数字量输入系统主要采用脉冲变压器隔离，光电耦合器隔离；而数字量输出系统主要采用光电耦合器隔离，继电器隔离，个别情况也可采用高频变压器隔离。

3.1  光电耦合器隔离

   这种隔离方法是用光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来，或者是把内部输出信号与外部电路隔离开来，如图4（a）、（b）所示。

（a）外部输入与部电路的隔离   

（b）控制输出与外部电路的隔离

图4 光电耦合器电路

   目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在2.5kV以上，有些器件达到了8kV，既有高压大电流大功率光电耦合器件，又有高速高频光电耦合器件（频率高达10MHz）。

常用的器件如：

4N25，其隔离电压为5.3kV；6N137，其隔离电压为3kV，频率在10MHz以上。

3.2  脉冲变压器隔离

   脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯的两侧，这种工艺使得它的分布电容特小，仅为几个pF，所以可作为脉冲信号的隔离元件。

脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时，不传递直流分量，因而在微电子技术控制系统中得到了广泛的应用。

一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在1kHz～1MHz之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到10MHz。

图5（a）是脉冲变压器的示意图。

脉冲变压器主要用于晶闸管（SCR）、大功率晶体管（CTR）、IGBT等可控器件的控制隔离中。

图5（b）是脉冲变压器的应用实例。

（a） 脉冲变压器   

（b） 脉冲变压器应用于开关电源中

图5  脉冲变压器的应用

3.3  继电器隔离

   继电器是常用的数字输出隔离元件，用继电器作为隔离元件简单实用，价格低廉。

图6是继电器输出隔离的实例示意图。

在该电路中，通过继电器把低压直流与高压交流隔离开来，使高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。

图6  继电器隔离

4  模拟电路与数字电路之间的隔离

   一般地说，模拟电路与数字电路之间的转换通过模数转换器（A/D）或数模转换器（D/A）来实现。

但是，若不采取一定的措施，数字电路中的高频振荡信号就会对模拟电路带来一定的干扰，影响测量的精度。

为了抑制数字电路对模拟电路带来的高频干扰，一般须将模拟地与数字地分开布线，参见图7（a）。

这种布线方式不能彻底排除来自数字电路的高频干扰，要想排除来自数字电路的高频干扰，必须把数字电路与模拟电路隔离开来，常用的隔离方法是在A/D转换器与数字电路之间加入光电耦合器，把数字电路与模拟电路隔离开，参见图7（b）。

但这种电路还不能从根本上解决模拟电路中的干扰问题，仍然存在着一定的缺陷，这是因为信号电路中的共模干扰和差模干扰没有得到有效的抑制，对于高精密测量的场合，还不能满足要求。

对于具有严重干扰的测量场合，可采用图7（c）所示的电路。

在该电路中，把信号接收部分与模拟处理部分也进行了隔离，因为在前置处理级与模数转换器（A/D）之间加入线性隔离放大器，把信号地与模拟地隔开，同时在模数转换器（A/D）与数字电路之间采用光电耦合器隔离，把模拟地与数字地隔开，这样一来，既防止了数字系统的高频干扰进入模拟部分，又阻断了来自前置电路部分的共模干扰和差模干扰。

当然，这种系统的造价较高，一般只用于高精度的测量系统中。

   数模转换（D/A）电路的隔离与模数转换（A/D）电路的隔离类似，因而所采取的技术措施也差不多，图7（d）是数模转换（D/A）电路的隔离方法之一。

（a）一点接地    （b）单端隔离的数模转换电路 

（d）单端隔离的数模转换电路

（c）双端隔离的数模转换电路 

图7  模拟电路与数字电路之间的隔离

5  结语

   以上对电子电路的电气隔离问题作出了概括性的论述，在产品的研制实践中,还要对电子电气设备的内部噪声及外部干扰进行全面的分析，结合“接地问题”，“屏蔽问题”,选择合理的隔离方式及其恰当的隔离部位，进行统一部署，才能设计出满足电磁兼容性要求的合格产品，造福于社会

一般工业控制系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。

为了使两者之间既保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和强电隔离，是保证系统工作稳定，设备与操作人员安全的重要措施。

电气隔离目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，从而达到隔离现场干扰的目的。

一、信号隔离

信号的隔离目的之一是把引进的干扰通道切断，使测控装置与现场仅保持信号联系，不直接发生电的联系。

工控装置与现场信号之间常用的隔离方式有光电隔离、脉冲变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。

1．光电隔离

光电隔离是由光电耦合器件来完成的。

其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。

由于光电耦合器的输入阻抗（100Ω～1kΩ）与一般干扰源的阻抗（105～106Ω）相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。

另外光电耦合器的隔离电阻很大（约1012Ω）、隔离电容很小（约几个pF），所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰，被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统。

光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来，或者是把内部输出信号与外部电路隔离开来，如图1所示。

开关量输入电路接入光电耦合器后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。

由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在2.5kV以上，有些器件达到了8kV，既有高压大电流大功率光电耦合器件，又有高速高频光电耦合器件（频率高达10MHz）。

常用的器件如4N25，其隔离电压为5.3kV；6N137，其隔离电压为3kV，频率在10MHz以上。

2．脉冲变压器隔离

脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯的两侧，这种工艺使得它的分布电容特小，仅为几个pF，所以可作为脉冲信号的隔离元件。

脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时，不传递直流分量，PLC使用的数字量信号输入／输出的控制设备不要求传递直流分量，因而在工控系统中得到了广泛的应用。

图2是脉冲变压器的应用实例。

电路的外部信号经RC滤波电路和双向稳压管抑制常模噪声干扰，然后输入脉冲

变压器的一次侧。

为了防止过高的对称信号击穿电路元件，脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管限幅后进入测控系统内部。

一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在1kHz～1MHz之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到10MHz。

3．继电器隔离

继电器的线圈和触点没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受信号，利用触点发送和输出控制信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。

图3是继电器输出隔离的实例示意图。

在该电路中，通过继电器把低压直流与高压交流隔离开来，使高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。

4．布线隔离

将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最基本的要求是信号线路必须和强电控制线路、电源线路分开走线，而且相互间要保持一定的距离。

配线时应区别分开交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线、感性负载驱动线等。

配线间隔越大，配线越短，则噪声影响越小。

但是，实际设备的内外空间是有限的，配线间隔不可能太大，只要能维持最低限度的间隔距离便可。

附表列出了信号线和动力线之间应保持的最小间距。

如果受环境条件的限制，信号线不能与高压线和动力线等离得足够远时，就得采用诸如信号线路接电容器等各种抑制电磁感应噪声的措施。

二、供电系统的隔离

采用1∶1隔离变压器供电是传统的抗干扰措施，对电网尖峰脉冲干扰有很好的效果。

图4是典型的隔离变压器原理图。

它抗干扰的原理是一次侧对高频干扰呈现很高的阻抗，而位于一次、二次绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了一、二次侧所产生的分布电容，因此一次绕组只有对屏蔽层的分布电容存在，高频干扰通过这个分布电容而被旁路入地。

1∶1隔变效果的好坏，往往取决于屏蔽层的工艺。

最好选用0.2mm厚的纯铜板材，一次侧、二次侧各加一个屏蔽层。

通常，一次侧的屏蔽层通过一个电容器与二次侧的屏蔽层接到一起，再接到二次侧的地上。

也可以一次侧的屏蔽层接一次侧的地线，二次侧的屏蔽层接二次侧的地线。

并且接地引线的截面积也要大一些好。

1∶1隔变还有效地隔离了接地环路的共模干扰。

1．交流供电系统的隔离

由于交流电网中存在着大量的谐波、雷击浪涌、高频干扰等噪声，所以对由交流电源供电的控制装置和电子电气设备，都应采取抑制来自交流电源干扰的措施。

采用电源隔离变压器，可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。

但是，普通变压器却不能完全起到抗干扰的作用，这是因为，虽然一次绕组和二次绕组之间是绝缘的，能够阻止一次侧的噪声电压、电流直接传输到二次侧，有隔离作用。

然而，由于分布电容（绕组与铁心之间、绕组之间、层匝之间和引线之间）的存在，交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧。

为了抑制噪声，必须在绕组间加屏蔽层，这样就能有效地抑制噪声，消除干扰，提高设备的电磁兼容性。